城市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性時(shí)空特征分析

周 健，張宏建，王 冰，孫 權(quán)

（1.信陽市水利勘測設(shè)計(jì)院，河南 信陽 464000；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，洪澇災(zāi)害已成為城市的主要災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅，同時(shí)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。武漢市位于長江中下游地區(qū)，人口密集，受東亞季風(fēng)的影響，降水過度頻繁，幾乎每年都會(huì)遭到不同程度的洪澇災(zāi)害影響，是中國易發(fā)生洪澇災(zāi)害的城市之一。因此，對(duì)武漢市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估可定量認(rèn)識(shí)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理，充實(shí)完善科學(xué)防控洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的理論內(nèi)容，對(duì)防洪救災(zāi)工作的開展具有非常重要的意義[2]。

20世紀(jì)初，國際學(xué)術(shù)界主要從暴露性對(duì)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，認(rèn)為致災(zāi)因子的強(qiáng)度決定災(zāi)害的大小，注重對(duì)自然災(zāi)害統(tǒng)計(jì)規(guī)律、強(qiáng)度和范圍的研究，并未涉及社會(huì)因素[3-6]。20 世紀(jì)末，災(zāi)害研究由暴露性向脆弱性方向轉(zhuǎn)變，更多地考慮社會(huì)環(huán)境在洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中的作用[7-9]。隨著研究的進(jìn)一步深入，災(zāi)害脆弱性逐漸從定性分析轉(zhuǎn)向與社會(huì)生態(tài)環(huán)境相結(jié)合的綜合性定性、定量評(píng)估[10-12]。任丙南等[13]應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來綜合評(píng)估海南省洪澇災(zāi)害的脆弱性,揭示洪澇災(zāi)害脆弱性的基本特征；石勇等[14]實(shí)地調(diào)查研究了洪水情景模擬中代表脆弱性災(zāi)損率；金有杰等[15]通過建立人口、GDP空間化模型探索區(qū)縣級(jí)行政區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方法；Stoica等[16]利用水文和水利模型，估算了羅馬尼亞薩默斯河的承載力，并劃定了洪水危險(xiǎn)區(qū)。

本文結(jié)合脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，從敏感性、經(jīng)濟(jì)脆弱性、人口脆弱性和社會(huì)脆弱性4個(gè)方面選取6個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。對(duì)各個(gè)指標(biāo)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使用熵權(quán)法得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和權(quán)值，用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法計(jì)算各個(gè)地區(qū)的脆弱度。對(duì)武漢市各區(qū)分別在 2004 年、2007 年、2010年、2014年、和 2017 年的脆弱度按照高、中和低三個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行災(zāi)害時(shí)空特征分析，得到近年來武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性的時(shí)間和空間變化特征。根據(jù)所得的武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性的時(shí)間和空間變化特征，提出應(yīng)對(duì)城市洪澇災(zāi)害的思路和對(duì)策，以減少風(fēng)險(xiǎn)、防范和管理自然災(zāi)害。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

武漢市是湖北省省會(huì)，地處于江漢平原東部。武漢市下轄13個(gè)區(qū)，中心城區(qū)包括江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)和青山區(qū)7個(gè)區(qū)，新城區(qū)包括東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、漢南區(qū)6個(gè)區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

本文立足于指標(biāo)體系建立的科學(xué)性、全面性、可行性、定性與定量相結(jié)合的原則，根據(jù)資料的可獲得性，建立脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表 1）。其中，Si為建成區(qū)面積；S為區(qū)域面積；Gi為區(qū)域國民生產(chǎn)總值；Pi為年末常住人口數(shù)；Mi為地區(qū)醫(yī)護(hù)人員總數(shù)；Pj為地區(qū)總?cè)丝跀?shù)；Bi為地區(qū)醫(yī)療床位總數(shù)；Ti為地區(qū)學(xué)生總?cè)藬?shù)。

表1 城市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2.2 脆弱性指標(biāo)權(quán)重的確定

熵權(quán)法可以根據(jù)指標(biāo)離散程度的大小來確定客觀權(quán)重，能夠最大程度消除人為主觀因素的影響。各個(gè)指標(biāo)的熵值計(jì)算公式：

式中，Wj表示各個(gè)指標(biāo)的權(quán)值；Ej表示各個(gè)指標(biāo)的熵值；j=1,2,…,n，n表示指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.2.3 脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法借助模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)過程主要分為以下5個(gè)步驟：

1）確定因素集，即評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文從4個(gè)方面選取了6個(gè)指標(biāo)，共建立兩層由10個(gè)基本因素如下：

2）確定評(píng)語集。建立不同程度的評(píng)價(jià)語集，對(duì)洪澇災(zāi)害脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文將劃分3個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià) 洪澇災(zāi)害脆弱性程度，分別是高脆弱度、中脆弱度和低脆弱度，即評(píng)語級(jí)V={v1,v2,v3}={低脆弱度等級(jí),中脆弱度等級(jí),高脆弱度等級(jí)}，最終得到如表2所示的結(jié)果。

表2 武漢市脆弱度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3）確定權(quán)重集。根據(jù)權(quán)重確定方法，確定各項(xiàng)承載體脆弱性指標(biāo)權(quán)重集，結(jié)果如表3所示。

表3 脆弱性指標(biāo)權(quán)重集

4）隸屬度函數(shù)的構(gòu)建。本文采用線性函數(shù)確定各等級(jí)的隸屬度函數(shù)

根據(jù)以上隸屬度函數(shù)計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ui的 評(píng)價(jià)Vj的隸屬度rij，得到隸屬度矩陣R：

5）建立模糊評(píng)價(jià)模型。根據(jù)（U,V,R）建立模糊評(píng)價(jià)模型，得到綜合評(píng)定結(jié)果如下：

式中，bn表示被評(píng)價(jià)事物從整體上對(duì)Vj等級(jí)模糊子集的隸屬程度。然后，對(duì)向量B中的各元素值進(jìn)行比較，得到B中的最大值，即bn=max（b1,b2,…,bn），最后根據(jù)最大隸屬度原則給出評(píng)定結(jié)果。

2 武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱度評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)武漢市2004年、2007年、2010年、2014年、2017年脆弱度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如 表4、5所示。

表4 武漢市2004年、2007年、2010年脆弱度評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)以及前文的等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得出2004、2007、2010、2014、2017年武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱度等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果（見圖1）。研究結(jié)果表明，江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)和新洲區(qū)的評(píng)價(jià)等級(jí)為低脆弱度；武昌區(qū)、青山區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)和黃陂區(qū)的評(píng)價(jià)等級(jí)為中脆弱度；江岸區(qū)、洪山區(qū)、蔡甸區(qū)和江夏區(qū)的評(píng)價(jià)等級(jí)為高脆弱度。

圖1 武漢市2004年、2007年、2010年、2014年、2017年暴雨洪澇災(zāi)害脆弱度評(píng)價(jià)結(jié)果圖 （地圖審圖號(hào)：鄂S(2020)003號(hào)）

表5 武漢市2014年、2017年脆弱度評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 脆弱性時(shí)空特征分析

2.2.1 脆弱性時(shí)間特征

武漢市2004－2017年脆弱度等級(jí)分布如圖2所示，研究結(jié)果表明，洪山區(qū)和江岸區(qū)的脆弱度隨時(shí)間變化不明顯，均為較高脆弱度等級(jí)。硚口區(qū)、江漢區(qū)、青山區(qū)、漢陽區(qū)、新洲區(qū)和黃陂區(qū)脆弱性的時(shí)間變化也很微??；漢陽區(qū)、新洲區(qū)和黃陂區(qū)與江漢區(qū)類似；脆弱性變化比較大的區(qū)域分別是江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)和漢南區(qū)，脆弱度等級(jí)在這5 a的變化特征總體呈高-中-低-中變化的趨勢，武昌區(qū)的脆弱度等級(jí)則具有中-高-中變化的明顯特征。

圖2 武漢市2004－2017年脆弱度等級(jí)分布圖

武漢市2004－2017年脆弱度等級(jí)按年份分布如 圖3所示，結(jié)果表明2014年有5個(gè)地區(qū)表現(xiàn)為高脆弱度等級(jí)，2個(gè)地區(qū)表現(xiàn)為中脆弱度等級(jí)，可見2014年 脆弱度總體較高。其次，2007年有3個(gè)地區(qū)表現(xiàn)為高脆弱度等級(jí)，6個(gè)地區(qū)表現(xiàn)為中脆弱度等級(jí)，其總體的脆弱度等級(jí)中等，2004年的整體脆弱度相對(duì)于2007年略高，在2010年，武漢市的整體脆弱度表現(xiàn)最低，到2017年相對(duì)平穩(wěn)。

圖3 武漢市2004－2017年脆弱度等級(jí)年份分布圖

根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值以及權(quán)值，計(jì)算武漢市各年的脆弱度系數(shù)，年份變化情況如圖4所示。結(jié)果表明2004－2010年期間，武漢市暴雨洪澇災(zāi)害的脆弱度呈下降趨勢，2010－2014年呈上升趨勢，2014－2017年逐漸趨于平穩(wěn)。2004－2017年的脆弱度總體變化不大。

圖4 脆弱度系數(shù)年份變化情況圖

2.2.2 脆弱性空間特征

武漢市2004－2017年脆弱性空間分布如圖5所示，結(jié)果表明，脆弱性較高的區(qū)域?yàn)楹樯絽^(qū)、漢南區(qū)、武昌區(qū)、江夏區(qū)和江岸區(qū)，脆弱性較低的區(qū)域?yàn)辄S陂區(qū)、新洲區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)、漢陽區(qū)，其他區(qū)域的脆弱性適中。從整體來看，在脆弱性空間分布上，高脆弱性的區(qū)域主要集中在長江流域附近，如漢南區(qū)、江夏區(qū)、武昌區(qū)等，距離長江流域較遠(yuǎn)的區(qū)域總體脆弱性呈低脆弱性。武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性總體表現(xiàn)為西南部地區(qū)向東北部地區(qū)減小的趨勢。

圖5 武漢市2004年至2017年脆弱性空間分布圖 （地圖審圖號(hào)：鄂S(2020)003號(hào)）

3 結(jié) 語

本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，根據(jù)建立的指標(biāo)體系對(duì)武漢市2004年、2007年、2010年、2014年、2017年的暴雨洪澇災(zāi)害脆弱度進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：①依據(jù)武漢市2004年、2007年、2010年、2014年、 2017年的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出，2004－2010年 期間，武漢市暴雨洪澇災(zāi)害的脆弱度呈下降趨勢；2010－2014年呈上升趨勢；2014－2017年逐漸趨于平穩(wěn)。2004－2017年的脆弱度總體呈略微上升趨勢。 ②在脆弱性空間分布上，高脆弱性的區(qū)域主要集中地長江流域附近，距離長江流域較遠(yuǎn)的區(qū)域總體脆弱性呈低脆弱性。武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性總體表現(xiàn)為西南部地區(qū)向東北部地區(qū)減小的趨勢。③2004－2017年間武漢市暴雨洪澇災(zāi)害脆弱性各年的空間分布差異較大，時(shí)間變化相對(duì)平穩(wěn)，脆弱性整體上升。下一步的研究可以從以下幾個(gè)方面展開：①進(jìn)一步拓寬數(shù)據(jù)層面，完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。②將2004－2017年建立一個(gè)連續(xù)的研究期，研究每年的脆弱性。